WO2013072294A2 - Abgasturbolader mit einer variablen turbinengeometrie und einer tellerfeder zur abdichtung - Google Patents

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WO2013072294A2
WO2013072294A2 PCT/EP2012/072448 EP2012072448W WO2013072294A2 WO 2013072294 A2 WO2013072294 A2 WO 2013072294A2 EP 2012072448 W EP2012072448 W EP 2012072448W WO 2013072294 A2 WO2013072294 A2 WO 2013072294A2
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vane
blade
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Holger Fäth
Ralf Böning
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Continental Automotive Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/16—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
    • F01D17/165—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes for radial flow, i.e. the vanes turning around axes which are essentially parallel to the rotor centre line
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/12—Control of the pumps
    • F02B37/24—Control of the pumps by using pumps or turbines with adjustable guide vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to an exhaust gas turbocharger with a variable turbine geometry.
  • variable turbine geometry has adjustable guide vanes on the exhaust side. These are attached with their shafts on a vane bearing ring. On the back of this blade bearing ring, the waves have the
  • Guide vanes a guide pin, which is connected to a lever which engages in an adjusting ring over which all the vanes are rotated simultaneously.
  • the adjusting ring is moved by means of a servomotor or by a vacuum box.
  • the exhaust gases flow more slowly or more quickly to the turbine wheel, so that the turbine output decreases or increases as required.
  • variable turbine geometry has at least one support ring formed from at least one sheet metal part for supporting guide vanes. These are rotatably mounted in recesses of the carrier ring.
  • variable turbine geometry includes an adjusting ring, a rolling element, two blade bearing rings, a spacer element provided between the blade bearing rings, and provided between the blade bearing rings
  • Vanes and a fastener Vanes and a fastener.
  • a head portion of the fastener is movably received in a holding portion of the bearing housing of the turbocharger.
  • a voltage applied to the outer blade bearing ring plate spring and a nut are provided in the head section opposite end portion of the fastener, by means of which the fastening element attaches the variable turbine geometry to the housing of the turbocharger.
  • Turbocharger housing a sealing element is provided, which is a coil spring seal, a C-ring seal or a G-directional seal.
  • a sealing element is provided, which is a coil spring seal, a C-ring seal or a G-directional seal.
  • an exhaust gas turbocharger with variable turbine geometry is known, which is attached to the bearing housing of the exhaust gas turbocharger.
  • This variable turbine geometry also has two blade bearing rings, between which guide vanes are rotatably arranged.
  • a plate spring is provided for sealing the gap between the variable turbine geometry and the turbine housing, which rests with its inner diameter or inner edge region at a stage of the turbine housing and with its outer diameter or outer edge region on the outer Schauhaut .
  • this known arrangement acts due to the pressure difference between the inner region between the two blade bearing rings and the area between the outer blade bearing ring and the turbine housing an axial force in the direction of the turbine housing side Schaufellager- rings.
  • the bore in the turbine housing-side vane bearing ring is sealed by a collar provided on the vane shaft and prevents leakage through the vane bearing bore.
  • a disadvantage of this arrangement is that in the case of a large temperature difference between the inner region between the two blade bearing rings and the
  • the object of the invention is to design an exhaust-gas turbocharger with variable turbine geometry and a disc spring provided for sealing the gap between the turbine housing and the turbine housing adjacent the disc bearing ring such that jamming of the guide vanes of the variable turbine geometry is avoided.
  • an exhaust gas turbocharger with the features specified in claim 1.
  • this exhaust gas turbocharger having a turbine housing and a variable turbine geometry, which has two blade bearing rings, between which rotatably arranged vanes are provided, wherein the vanes each have an airfoil and blade bores in the blade bearing rings guided blade waves, and in which between the turbine housing and the variable turbine geometry a gap is provided which is sealed by a disc spring, the outer diameter of the plate spring is smaller than the diameter of the circle, which describe the blade holes in the blade bearing rings or the axes of rotation of the vanes.
  • Turbine housing adjacent blade bearing ring is less strongly deformed by temperature differences between the area between the two blade bearing rings and the area between the turbine housing and the blade housing adjacent the turbine housing compared to the prior art. This is due to the fact that the heat input is more uniform on both sides of the blade bearing ring adjacent to the turbine housing than in the prior art. It occurs because of the reduced dimensions of the diaphragm spring on a lower heat shield by the spring. This too results in a reduced likelihood of jamming of one or more of the variable turbine geometry vanes.
  • Figure 1 is a sketch to illustrate the necessary components for understanding the invention of an exhaust gas turbocharger and Figure 2 is a sketch of a vane assembly.
  • an exhaust gas turbocharger having a turbine housing and a variable turbine geometry, wherein the variable turbine geometry comprises two vane bearing rings, between which rotatably arranged vanes are provided.
  • the vanes each have an airfoil and vane shafts guided by vane bores in the vane races.
  • the variable turbine geometry between the turbine housing and the variable turbine geometry has a gap that is sealed by a diaphragm spring.
  • the outer diameter of this plate spring is smaller than the diameter of the circle, describe the blade holes in the blade bearing rings or the axes of rotation of the vanes.
  • FIG. 1 shows a sketch to illustrate the components of an exhaust-gas turbocharger which are necessary for understanding the invention.
  • This exhaust-gas turbocharger 1 has a turbine housing 2 and a variable turbine geometry 3 fastened to a bearing housing (not shown).
  • a turbine wheel 9 is arranged, which is provided with turbine blades 18.
  • the Turbine wheel 9 is mounted on a shaft which is mounted in the bearing housing and extends into a compressor housing in which a compressor wheel is mounted on the shaft.
  • the turbine wheel 9 is driven by the exhaust gas flow of a motor vehicle and sets the compressor wheel in motion via said shaft.
  • the compressor wheel provides compressed fresh air that is provided to the engine of the motor vehicle.
  • the variable turbine geometry 3 is used to better adapt the power output and the response of the turbine and thus the entire exhaust gas turbocharger to different operating conditions, such as occurring load changes.
  • variable turbine geometry 3 arranged in the exhaust stream guide vanes 6, which are adjustable or rotatable.
  • the angle of attack of these guide vanes is regulated in such a way that with little exhaust gas throughput, but with a high power requirement, the exhaust gas is passed through reduced flow segments accelerated onto the turbine blades.
  • the speed of the turbine wheel and the power of the compressor of the exhaust gas turbocharger are increased.
  • the angle of attack of the guide vanes is adjusted so that the exhaust gas passed through enlarged Strömungsguer baine slowed down on the turbine blades and the performance of the compressor is reduced.
  • the guide vanes 6 of the variable turbine geometry 3 each have an airfoil 6a and are each rotatably mounted between two vane bearing rings 4, 5. These blade bearing rings have blade bores 4a, 5a through which blade shafts 6b of the stator blades 6 are guided.
  • the axis of rotation of the guide vanes is provided with the reference numeral 6c.
  • the variable turbine geometry 3 has a blade lever 6d, by means of which the variable turbine geometry 3 is adjustable, as will be explained below.
  • the turbine housing side of the exhaust gas turbocharger shown in Figure 1 is denoted by the reference numeral 11, the bearing housing side by the reference numeral 10.
  • the dimensions of the provided for sealing the gap 12 plate spring 8 are selected such that the outer diameter d T F2 of the plate spring 8 is smaller than the diameter d K a Circle K, the blade holes 4a, 5a in the blade bearing rings 4, 5 and thus also describe the axes of rotation 6c of the vanes 6. As can be seen from FIG. 1, the following relationship applies:
  • d T Fi is the inner diameter of the plate spring 8
  • d T F2 the outer diameter of the plate spring 8
  • d K the diameter of the circle K
  • the blade holes 4a, 5a in the blade bearing rings 4, 5 and thus also describe the axes of rotation 6c of the vanes 6
  • an axial force is also generated on the guide vanes 6 by the flow at high pressure p3 in the gap 12 at the lower pressure p3 'in the blade channel between the two blade bearing rings 4, 5. This acts in the direction of the bearing housing side vane bearing ring 5.
  • FIG. 2 shows a sketch of a stator blade arrangement 13, in which, inter alia, the circle K, which describes the blade bores in one of the blade bearing rings or the axes of rotation of the stator blades, is illustrated. In FIG. 2, only one of the two blade bearing rings is shown for the sake of clarity.
  • the guide vane assembly 13 shown in FIG. 2 has the vane bearing ring 4 which has vane bores 4a equidistantly distributed along a circle K.
  • This circle K is that circle whose diameter d K is greater than the outer diameter d T F2 of the plate spring, which is shown in FIG.
  • the vane shaft 6b of a vane is inserted, wherein in FIG. 2 only one of these vane vanes 6 is shown for the sake of simplicity of illustration.
  • These guide vanes 6 have a bearing pin arranged in their axis of rotation 6c, wherein the axis of rotation 6c is located centrally in the respective blade bore.
  • an actuator 14 is shown in FIG.
  • the actuator 14 is coupled via a coupling 15 and an adjusting ring, not shown in the figure 2 with the guide vanes 6.
  • the coupling 15 is connected directly to the guide vane 6 in FIG.
  • the actuator 14 is connected via a data line 16 to a motor controller 17.
  • the turbine wheel 9 Centered in the vane assembly 13 is the turbine wheel 9, which is provided with turbine blades 18.
  • the vanes 6 of the variable turbine geometry 3 radially surround the turbine wheel 9. The operation of the vane assembly 13 and the vanes 6 is shown below.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader, der ein Turbinengehäuse und eine variable Turbinengeometrie aufweist. Die variable Turbinengeometrie enthält zwei Schaufellagerringe, zwischen denen drehbar angeordnete Leitschaufeln vorgesehen sind. Die Leitschaufeln weisen jeweils ein Schaufelblatt und durch Schaufelbohrungen in den Schaufellagerringen geführte Schaufelwellen auf. Zwischen dem Turbinengehäuse und der variablen Turbinengeometrie ist ein Spalt vorgesehen, der mittels einer Tellerfeder abgedichtet ist. Der Außendurchmesser der Tellerfeder ist kleiner als der Durchmesser eines Kreises, den die Schaufelbohrungen in den Schaufellagerringen oder die Drehachsen der Leitschaufeln beschreiben.

Description

Beschreibung
Abgasturbolader mit einer variablen Turbinengeometrie und einer Tellerfeder zur Abdichtung
Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einer variablen Turbinengeometrie .
Abgasturbolader, die eine variable Turbinengeometrie aufweisen, sind bekannt. Die genannte variable Turbinengeometrie weist auf der Abgasseite verstellbare Leitschaufeln auf. Diese sind mit ihren Wellen auf einem Schaufellagerring befestigt. Auf der Rückseite dieses Schaufellagerrings haben die Wellen der
Leitschaufeln einen Führungs zapfen, der mit einem Hebel verbunden ist, der in einen Verstellring eingreift, über welchen alle Leitschaufeln gleichzeitig verdrehbar sind. Dabei wird der Verstellring mittels eines Stellmotors oder durch eine Un- terdruckdose bewegt. Je nach Stellung der Leitschaufeln strömen die Abgase langsamer oder schneller zum Turbinenrad, so dass die Turbinenleistung je nach Bedarf entsprechend ab- oder zunimmt.
Aus der DE 10 2008 014 680 AI ist eine Leitgitteranordnung eines Abgasturboladers mit variabler Turbinengeometrie bekannt. Diese variable Turbinengeometrie weist zumindest einen aus mindestens einem Blechteil gebildeten Trägerring zur Lagerung von Leitschaufeln auf . Diese sind in Ausnehmungen des Trägerrings drehbar gelagert .
Aus der DE 102008020932 AI ist ein Turbolader mit einer variablen Turbinengeometrie bekannt. Zu dieser variablen Turbinengeometrie gehören ein Verstellring, ein Wälzkörperelement, zwei Schaufellagerringe, ein zwischen den Schaufellagerringen vorgesehenes Distanzelement, zwischen den Schaufellagerringen vorgesehene
Leitschaufeln und ein Befestigungselement. Ein Kopfabschnitt des Befestigungselementes ist in einen Haltebereich des Lagergehäuses des Turboladers beweglich aufgenommen. In dem dem Kopfabschnitt entgegengesetzten Endbereich des Befestigungselementes sind eine am äußeren Schaufellagerring anliegende Tellerfeder und eine Mutter vorgesehen, mittels derer das Befestigungselement die variable Turbinengeometrie am Gehäuse des Turboladers befestigt. Zwischen dem äußeren Schaufellagerring und einer Wand des
Turboladergehäuses ist ein Dichtelement vorgesehen, bei dem es sich um eine Schraubenfederdichtung, eine C-Ringdichtung oder eine G-Richtdichtung handelt . Aus der EP 2 226 484 AI ist ein Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie bekannt, die am Lagergehäuse des Abgasturboladers befestigt ist. Auch diese variable Turbinengeometrie weist zwei Schaufellagerringe auf, zwischen denen Leitschaufeln drehbar angeordnet sind. Zwischen dem äußeren Schaufellagerring und dem Turbinengehäuse ist zur Abdichtung des Spalts zwischen der variablen Turbinengeometrie und dem Turbinengehäuse eine Tellerfeder vorgesehen, die mit ihrem Innendurchmesser bzw. inneren Randbereich an einer Stufe des Turbinengehäuses und mit ihrem Außendurchmesser bzw. äußeren Randbereich am äußeren Schau- fellagerring anliegt. Bei dieser bekannten Anordnung wirkt aufgrund des Druckunterschieds zwischen dem Innenbereich zwischen den beiden Schaufellagerringen und dem Bereich zwischen dem äußeren Schaufellagerring und dem Turbinengehäuse eine axiale Kraft in Richtung des turbinengehäuseseitigen Schaufellager- rings. Dadurch wird durch einen am Schaufelschaft vorgesehenen Bund die Bohrung im turbinengehäuseseitigen Schaufellagerring abgedichtet und eine Leckage durch die Schaufellagerbohrung vermieden. Ein Nachteil dieser Anordnung besteht jedoch darin, dass im Falle eines großen Temperaturunterschiedes zwischen dem Innenbereich zwischen den beiden Schaufellagerringen und dem
Bereich zwischen dem turbinengehäuseseitigen Schaufellagerring und dem Turbinengehäuse eine unerwünschte Verformung des turbinengehäuseseitigen Schaufellagerrings auftreten kann. Diese Verformung kann dazu führen, dass die Vorder- und die Hinterkanten der Schaufelblätter auf dem turbinengehäuseseitigen Schaufellagerring kratzen und es zu einem Verklemmen einer oder mehrerer der Leitschaufeln kommt. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie und einer zur Abdichtung des Spalts zwischen dem Turbinengehäuse und dem dem Turbinengehäuse benachbarten Schaufellagerring vorgesehenen Tellerfeder derart auszugestalten, dass ein Verklemmen der Leitschaufeln der variablen Turbinengeometrie vermieden wird.
Diese Aufgabe wird durch einen Abgasturbolader mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bei diesem Abgasturbolader mit einem Turbinengehäuse und einer variablen Turbinengeometrie, welche zwei Schaufellagerringe aufweist, zwischen denen drehbar angeordnete Leitschaufeln vorgesehen sind, wobei die Leitschaufeln jeweils ein Schaufelblatt und durch Schaufelbohrungen in den Schaufellagerringen geführte Schaufelwellen aufweisen, und bei welcher zwischen dem Turbinengehäuse und der variablen Turbinengeometrie ein Spalt vorgesehen ist, der mittels einer Tellerfeder abgedichtet ist, ist der Außendurchmesser der Tellerfeder kleiner als der Durchmesser des Kreises, den die Schaufelbohrungen in den Schaufellagerringen oder die Drehachsen der Leitschaufeln beschreiben.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen eines Abgasturboladers mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 - 4 angegeben.
Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass bei einem Abgasturbolader mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen die Wahrscheinlichkeit eines Verklemmens einer oder mehrerer der Leitschaufeln der variablen Turbinengeometrie reduziert ist. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der dem
Turbinengehäuse benachbarte Schaufellagerring im Vergleich zum Stand der Technik weniger stark durch Temperaturunterschiede zwischen dem Bereich zwischen den beiden Schaufellagerringen und dem Bereich zwischen dem Turbinengehäuse und dem dem Turbi- nengehäuse benachbarten Schaufellagerring verformt wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Wärmeeintrag auf beiden Seiten des dem Turbinengehäuse benachbarten Schaufellagerrings gleichmäßiger ist als beim Stand der Technik. Es tritt aufgrund der reduzierten Abmessungen der Tellerfeder eine geringere Wärmeabschirmung durch die Feder auf. Auch dies führt zu einer verringerten Wahrscheinlichkeit eines Auftretens eines Verklemmens einer oder mehrerer der Leitschaufeln der variablen Turbinengeometrie.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender beispielhafter Erläuterung anhand der Figuren. Dabei zeigt
Figur 1 eine Skizze zur Veranschaulichung der zum Verständnis der Erfindung notwendigen Bestandteile eines Abgasturboladers und Figur 2 eine Skizze einer Leitschaufelanordnung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Abgasturbolader mit einem Turbinengehäuse und einer variablen Turbinengeometrie bereitgestellt, wobei die variable Turbinengeometrie zwei Schaufellagerringe aufweist, zwischen denen drehbar angeordnete Leitschaufeln vorgesehen sind. Die Leitschaufeln weisen jeweils ein Schaufelblatt und durch Schaufelbohrungen in den Schaufellagerringen geführte Schaufelwellen auf. Des Weiteren weist die variable Turbinengeometrie zwischen dem Turbinengehäuse und der variablen Turbinengeometrie einen Spalt auf, der mittels einer Tellerfeder abgedichtet ist. Der Außendurchmesser dieser Tellerfeder ist kleiner als der Durchmesser des Kreises, den die Schaufelbohrungen in den Schaufellagerringen oder die Drehachsen der Leitschaufeln beschreiben.
Die Figur 1 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung der zum Verständnis der Erfindung notwendigen Bestandteile eines Abgasturboladers . Dieser Abgasturbolader 1 weist ein Turbinengehäuse 2 und eine an einem nicht gezeichneten Lagergehäuse befestigte variable Turbinengeometrie 3 auf. Im Turbinengehäuse ist ein Turbinenrad 9 angeordnet, das mit Turbinenschaufeln 18 versehen ist. Das Turbinenrad 9 ist auf einer Welle befestigt, die im Lagergehäuse gelagert ist und sich bis in ein Verdichtergehäuse erstreckt, in welchem ein Verdichterrad auf der Welle befestigt ist. Das Turbinenrad 9 wird vom Abgasstrom eines Kraftfahrzeugs ange- trieben und setzt über die genannte Welle das Verdichterrad in Bewegung. Das Verdichterrad stellt verdichtete Frischluft bereit, die dem Motor des Kraftfahrzeugs zur Verfügung gestellt wird . Die variable Turbinengeometrie 3 dient dazu, die Leistungsabgabe und das Ansprechverhalten der Turbine und damit des gesamten Abgasturboladers an unterschiedliche Betriebsbedingungen, beispielsweise an auftretende Lastwechsel, besser anpassen zu können .
Zu diesem Zweck weist die variable Turbinengeometrie 3 im Abgasstrom angeordnete Leitschaufeln 6 auf, die verstellbar bzw. drehbar sind. Der Anstellwinkel dieser Leitschaufeln wird dabei derart geregelt, dass bei wenig Abgasdurchsatz , aber hohem Leistungsbedarf das Abgas durch verkleinerte Strömungsguer- schnitte beschleunigt auf die Turbinenschaufeln geleitet wird. Dadurch werden die Drehzahl des Turbinenrades und die Leistung des Verdichters des Abgasturboladers erhöht. Bei hohem Abgasdurchsatz, aber geringem Leistungsbedarf wird hingegen der Anstellwinkel der Leitschaufeln so eingestellt, dass das Abgas durch vergrößerte Strömungsguerschnitte verlangsamt auf die Turbinenschaufeln geleitet und die Leistung des Verdichters verringert wird. Die Leitschaufeln 6 der variablen Turbinengeometrie 3 weisen jeweils ein Schaufelblatt 6a auf und sind jeweils zwischen zwei Schaufellagerringen 4, 5 drehbar gelagert. Diese Schaufellagerringe weisen Schaufelbohrungen 4a, 5a auf, durch welche Schaufelwellen 6b der Leitschaufeln 6 geführt sind. Die Drehachse der Leitschaufeln ist mit dem Bezugszeichen 6c versehen. Des Weiteren weist die variable Turbinengeometrie 3 einen Schaufelhebel 6d auf, mittels welchem die variable Turbinengeometrie 3 verstellbar ist, wie noch unten erläutert wird. Die Turbinengehäuseseite des in der Figur 1 gezeigten Abgasturboladers ist mit der Bezugszahl 11, die Lagergehäuseseite mit der Bezugszahl 10 bezeichnet.
Bei dem in der Figur 1 gezeigten Abgasturbolader 1 liegt fertigungs- und damit toleranzbedingt ein Spalt 12 zwischen der variablen Turbinengeometrie 3 und dem Turbinengehäuse 2 vor . Wäre dieser Spalte 12 nicht abgedichtet, dann würde durch diesen Spalt 12 ein Teil des Abgases strömen, ohne dass dieser Teil des Abgases durch die Leitschaufeln 6 beschleunigt wird. Stromabwärts der variablen Turbinengeometrie 3 würde dieser Teil des Abgases guer zum durch die Leitschaufeln beschleunigten Abgas zurückströmen und dadurch eine Störung der Strömung bezüglich deren Geschwindigkeit und Richtung hervorrufen. Zusätzlich entstünde bei einer variablen Turbinengeometrie mit beidseitiger Schaufel- lagerung durch die Druckdifferenz zwischen dem Schaufelkanal und dem Spalt eine axiale Kraft auf die Leitschaufeln und somit eine Verschiebung dieser Leitschaufeln in axialer Richtung.
In der bereits oben genannten EP 2226484 AI wurde zur Reduzierung dieser Turbulenzen vorgeschlagen, den Spalt zwischen der variablen Turbinengeometrie und dem Turbinengehäuse mittels einer Tellerfeder abzudichten. Durch die dort beschriebene Lösung kann jedoch nicht vermieden werden, dass aufgrund der ungleichen Temperaturverteilung, die zwischen dem Spalt und dem Schau- felkanal vorliegt, eine Verformung des dem Turbinengehäuse benachbarten Schaufellagerringes auftritt, die ihrerseits zu einem Verklemmen einer oder mehrerer der Leitschaufeln der variablen Turbinengeometrie führen kann. Dies wird bei der vorliegenden Erfindung dadurch vermieden, dass die Abmessungen der zur Abdichtung des Spalts 12 vorgesehenen Tellerfeder 8 derart gewählt werden, dass der Außendurchmesser dTF2 der Tellerfeder 8 kleiner ist als der Durchmesser dK eines Kreises K, den die Schaufelbohrungen 4a, 5a in den Schaufellagerringen 4, 5 und damit auch die Drehachsen 6c der Leitschaufeln 6 beschreiben. Wie aus der Figur 1 ersichtlich ist, gilt die folgende Beziehung:
Figure imgf000009_0001
Dabei ist dTFi der Innendurchmesser der Tellerfeder 8, dTF2 der Außendurchmesser der Tellerfeder 8 und dK der Durchmesser des Kreises K, den die Schaufelbohrungen 4a, 5a in den Schaufellagerringen 4, 5 und damit auch die Drehachsen 6c der Leitschaufeln 6 beschreiben. Wie aus der Figur 1 des Weiteren ersichtlich ist, wird beim gezeigten Abgasturbolader durch die Strömung mit hohem Druck p3 im Spalt 12 zum geringeren Druck p3 ' im Schaufelkanal zwischen den beiden Schaufellagerringen 4, 5 ebenfalls eine axiale Kraft auf die Leitschaufeln 6 erzeugt. Diese wirkt in Richtung des lagergehäuseseitigen Schaufellagerrings 5. Dadurch wird ein kleiner Spalt 7 zwischen dem turbingehäuseseitigen Schaufellagerring und den Leitschaufeln 6 erzeugt, der bei einer Verformung des Schaufellagerrings durch Temperatureinflüsse ein Berühren und damit punktuelles Reiben der Schaufelblattspitze an der Oberfläche des Schaufellagerrings verhindert und so ein Fressen an dieser Stelle vermeidet.
Dadurch kann die Wahrscheinlichkeit eines Verklemmens einer oder mehrerer der Leitschaufeln, das bei bekannten Abgasturboladern mit variabler Turbinengeometrie vergleichsweise häufig auftritt, deutlich reduziert werden.
Des Weiteren wird der turbinengehäuseseitige Schaufellagerring 4 durch Temperatureffekte weniger stark verformt als dies bei bekannten Abgasturboladern der Fall ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Wärmeeintrag auf die beiden Seiten dieses Schaufellagerringes aufgrund einer reduzierten Wärmeabschirmung durch die verkleinerte Tellerfeder gleichmäßiger erfolgt als bei bekannten Abgasturboladern. Auch dies führt zu einer robusteren variablen Turbinengeometrie, die einem Klemmen der Leitschaufeln gegenüber weniger anfällig ist. Die Figur 2 zeigt eine Skizze einer Leitschaufelanordnung 13, in welcher unter anderem der Kreis K, den die Schaufelbohrungen in einem der Schaufellagerringe bzw. die Drehachsen der Leitschaufeln beschreiben, veranschaulicht ist. In der Figur 2 ist zur Erhöhung der Übersichtlichkeit nur einer der beiden Schaufellagerringe dargestellt.
Die in der Figur 2 gezeigte Leitschaufelanordnung 13 weist den genannten Schaufellagerring 4 auf, welcher entlang eines Kreises K äguidistant verteilte Schaufelbohrungen 4a aufweist. Dieser Kreis K ist derjenige Kreis, dessen Durchmesser dK größer ist als der Außendurchmesser dTF2 der Tellerfeder, welcher in der Figur 1 gezeigt ist. In diese Schaufelbohrungen ist jeweils die Schaufelwelle 6b einer Leitschaufel eingesetzt, wobei in der Figur 2 zur Vereinfachung der Darstellung nur eine dieser Leitschaufeln 6 gezeigt ist. Diese Leitschaufeln 6 weisen einen in ihrer Drehachse 6c angeordneten Lagerzapfen auf, wobei sich die Drehachse 6c mittig in der jeweiligen Schaufelbohrung befindet . Des Weiteren ist in der Figur 2 ein Stellglied 14 gezeigt, bei dem es sich beispielsweise um einen elektrischen Aktuator oder um einen Pneumatikzylinder handelt. Das Stellglied 14 ist über eine Kopplung 15 und einen in der Figur 2 nicht dargestellten Verstellring mit den Leitschaufeln 6 gekoppelt. Zwecks einer vereinfachten Darstellung ist in der Figur 2 die Kopplung 15 direkt mit der Leitschaufel 6 verbunden. Das Stellglied 14 ist über eine Datenleitung 16 mit einer Motorsteuerung 17 verbunden.
Mittig in der Leitschaufelanordnung 13 ist das Turbinenrad 9 abgebildet, das mit Turbinenschaufeln 18 versehen ist. Wie aus der Figur 2 ersichtlich ist, umgeben die Leitschaufeln 6 der variablen Turbinengeometrie 3 das Turbinenrad 9 radial. Die Funktionsweise der Leitschaufelanordnung 13 und der Leitschaufeln 6 wird im Folgenden dargestellt.
Mittels des genannten Stellringes können alle Leitschaufeln 6 gleichzeitig um ihre Drehachse 6c verschwenkt werden. Da die Leitschaufeln 6 das Turbinenrad 9 radial umgeben, kann durch die Anstellung der Leitschaufeln 6 der Stromungsguerschnitt variiert werden, welcher dem auf das Turbinenrad 9 zuströmende Abgas zur Verfügung steht. Über die Motorsteuerung 17 wird je nach Be- triebszustand des zugehörigen Verbrennungsmotors und je nach Stellung des Gaspedals des Verbrennungsmotors an das Stellglied 14 der Befehl erteilt, die Leitschaufeln 6 in Richtung 20, d. h. in Schließrichtung, oder in Richtung 21, d. h. in Öffnungsrichtung, zu verstellen.
Bei geschlossenen Leitschaufeln 6 verringert sich der dem Abgas zur Verfügung stehende Stromungsguerschnitt . Damit jedoch der gleiche Abgasmassenstrom durch einen verringerten Strömungs- guerschnitt strömen kann, erhöht sich die Strömungsgeschwin- digkeit. Weiterhin wird bei einer geschlossenen Stellung der Leitschaufeln 6 ein steiler Aufprallwinkel des Abgases auf die Turbinenschaufeln 18 erreicht. Dadurch steigt die Drehzahl des Turbinenrades 9 und damit auch die Drehzahl eines Verdichterrades des Turboladers des Verbrennungsmotors. Dadurch erhöhen sich der Ladedruck und die Leistung des Verbrennungsmotors. Dieser Betriebs zustand der Leitschaufelanordnung 13 liegt beispielsweise bei einem Beschleunigen des Kraftfahrzeugs vor.
Bei einem Schwenken der Leitschaufeln 6 in Richtung 21, d. h. einem Öffnen der Leitschaufein 6 , wird der dem Abgas zur Verfügung stehende Strömungsguerschnitt vergrößert. Die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases verringert sich und der Anströmwinkel, mit dem das Abgas auf die Turbinenschaufeln trifft, wird flacher. Die Drehzahl des Turbinenrades 9 und damit die Drehzahl des Verdichterrades und der Ladedruck des Verbrennungsmotors sinken. Dieser Betriebs zustand liegt beispielsweise bei einer schnellen konstanten Fahrt des Kraftfahrzeugs unter Volllast vor. Durch die im Zusammenhang mit der Figur 1 beschriebenen spezielle Dimensionierung der Tellerfeder 8 wird in allen vorstehend beschriebenen Betriebszuständen die Wahrscheinlichkeit eines Auftretens eines Verklemmens einer oder mehrerer der Leitschaufeln 6 deutlich verringert.

Claims

Patentansprüche
1. Abgasturbolader (1) mit einem Turbinengehäuse (2) und einer variablen Turbinengeometrie (3), welche zwei Schaufellagerringe (4,5) aufweist, zwischen denen drehbar angeordnete Leitschaufeln (6) vorgesehen sind, wobei die Leitschaufeln (6) jeweils ein Schaufelblatt (6a) und durch Schaufelbohrungen (4a) in den Schaufellagerringen geführte Schaufelwellen (6b) aufweisen, und bei welcher zwischen dem Turbinengehäuse (2) und der variablen Turbinengeometrie (3) ein Spalt (12) vorgesehen ist, der mittels einer Tellerfeder (8) abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser (dTF2)der Tellerfeder (8) kleiner ist als der Durchmesser (dK) eines Kreises (K), den die Schaufelbohrungen (4a) in den Schaufellagerringen (4,5) oder die Drehachsen (6c) der Leitschaufeln beschreiben.
2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenrand (8a) der Tellerfeder (8) an dem dem Turbinengehäuse (2) benachbarten Schaufellagerring (4) anliegt.
3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenrand (8b) der Tellerfeder (8) am Turbinengehäuse (2) anliegt.
4. Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (2) eine Stufe (2a) aufweist und der Innenrand (8b) der Tellerfeder (8) im Bereich der Stufe (2a) am Turbinengehäuse (2) anliegt.
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